型钢混凝土转换桁架节点施工监控及非线性有限元分析

摘要

型钢混凝土结构是指由型钢和其外包钢筋混凝土共同承受荷载的结构。构件截面中型钢的配置,使结构具有构件截面小、承载力大、抗震性能好、方便施工的优点;截面中钢筋混凝土的配置,克服了型钢防腐、防锈、防火性能差,易发生局部和整体失稳的缺点,抗侧移刚度大,节约钢材,降低了造价[1,2]。以贵州省委办公业务大楼为工程背景,本工程为下部群楼、上部主体连体、中庭镂空的复杂高层建筑结构。该桁架转换层跨度较大且上部有13楼层的竖向荷载直接作用于桁架之上,桁架节点部位构造复杂且为荷载传递的枢纽,是保证结构承载力和刚度的重要部位[3,4]。采用振弦式应变传感器对该工程的型钢桁架节点进行了施工监控;并利用有限元分析软件ANSYS对该工程的桁架节点进行了实体有限元分析,最后对比分析了施工监控与有限元分析的结果,主要内容和结论如下:(1)运用有限元分析软件ANSYS对该办公大楼型钢混凝土转换层桁架节点进行了三维实体弹性和非线性有限元分析,得出了桁架节点的应力应变分布,分析结果为该桁架节点的设计提供了理论参考依据。(2)根据上述有限元分析计算结果确定了该桁架节点的施工监控方案,完成传感器的安装和调试,在各个施工阶段对桁架节点进行了施工监控,得出了各个施工阶段桁架节点的监控数据和节点的实测受力结果。(3)对比分析了节点施工监控中相应测试点的测试结果和计算分析结果,表明弹性有限元分析型钢应变结果与实测应变结果随荷载的增长规律基本一致,但弹性分析应变结果在桁架上部结构完成后都小于实测应变结果;非线性分析型钢应变增长规律与弹性分析基本一致,各个阶段应变值均大于弹性分析结果;印证了考虑非线性后混凝土材料受力性能的差异所导致的混凝土的卸载效应,即混凝土应力减小而对应型钢应力增大应力重分布规律。(4)通过对比分析了影响节点性能的几个参数的不同结果,表明节点混凝土强度的提高对改善内部型钢的受力性能效果有限;节点内部型钢钢板厚度对改善型钢的受力有显著的影响。(5)文中所采用的非线性分析方法对解决此类空间复杂节点在空间复杂荷载条件下的受力分析问题提供了手段,且其分析结果较弹性分析结果偏安全;非线性分析所得到的节点内部的应力应变分布可以更好的指导此类构件设计。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 型钢混凝土桁架转换层

1.2.1 转换层结构主要形式及其特点

1.2.2 型钢混凝土组合结构的应用与研究

1.3 问题的提出

1.4 国内外研究现状

1.4.1 国外现状

1.4.2 国内现状

1.5 本文的研究内容

2 型钢混凝土桁架节点施工监控

2.1 引言

2.2 工程概况

2.3 施工监控的原理

2.4 施工监控方案

2.4.1 数据采集

2.4.2 传感器测点布置

2.4.3 传感器的安装

2.5 施工监控结果

2.6 本章小结

3 有限元分析理论基础

3.1 有限单元法综述

3.2 弹塑性力学基本理论

3.3 非线性问题及求解方法

3.4 有限元分析计算的基本步骤

4 有限元模型的建立

4.1 单元类型

4.1.1 空间实体单元（SOLID65）

4.1.2 空间壳体单元(SHELL181)

4.2 材料属性的选取

4.2.1 材料的本构关系

4.2.2 材料的破坏准则

4.3 模型的建立

4.3.1 几何模型的建立和单元的划分

4.3.2 边界条件和荷载

4.4 计算收敛问题

4.5 本章小结

5 结果对比与分析

5.1 应变结果

5.1.1 各节点应变结果比较

5.1.2 应变比较结论

5.2 应力结果

5.2.1 节点应力结果

5.2.2 应力对比结论

5.3 影响节点性能的几个参数对比

5.3.1 混凝土强度

5.3.2 节点内型钢钢板厚度

5.3.3 纵筋配筋率

5.3.3 配箍率

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文的主要结论及成果

6.2 后续工作的建议和展望

致谢

参考文献

附录